УДК 577.218

Структурные особенности крупного piРНК-кластера в составе Y-хромосомы1

Базылев Сергей Сергеевич – инженер Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».

Оленина Людмила Владимировна – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».

Котов Алексей Александрович – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».

Аннотация: В рамках данного исследования была проведена характеристика piРНК-кластера, расположенного в прицентромерном участке Y-хромосомы. Данный кластер специфичен для самцов и с него производится порядка 5% всех piРНК в семенниках Drosophila melanogaster. Мы показали, что последовательность Y-хромосомы в которой располагается кластер входит в состав ранее обнаруженного протяженного палиндрома. Был проведен анализ структуры кластера и в результате было обнаружено более 200 повторяющихся участков, имеющих гомологию к белок-кодирующему гену. Более детальный анализ показал, что данные повторы имеют высокую степень фрагментации вследствие множества геномных перестроек. Таким образом, нами была детально охарактеризована структура одного из мажорных кластеров в семенниках, определяющиего половой диморфизм piРНК системы у Drosophila melanogaster.

Ключевые слова: piРНК-кластер, Y-хромосома.

Введение

piРНК-путь в герминальных клетках множества животных направлен на защиту генома от внешних и внутренних угроз [6] Ранее мы обнаружили, что ген CG12717 у Drosophila melanogaster, кодирующий SUMO-изопептидазу [1], подвергается посттранскрипционной репрессии в герминальных клетках семенников с помощью piРНК, производимых из длинных транскриптов-предшественников Y-хромосомного локуса petrel [2]. piРНК-кластер petrel находится в прицентромерном участке левого плеча Y-хромосомы, в виде как минимум 23 геномных участков, высокогомологичных гену CG12717, расположенных между многочисленными последовательностями транспозонов. По количеству производимых piРНК petrel является одним из трех наиболее крупных piРНК-кластеров в семенниках, наряду с Su(Ste) и AT-chX [2, 3, 4]. Целью настоящей работы является анализ структурных особенностей piРНК-кластера petrel, полностью определяющего половой диморфизм в регуляции экспрессии белок-кодирующего гена.

Результаты и обсуждение

Для поиска и картирования гомологичных гену CG12717 (pirate) участков на Y-хромосоме мы использовали полную сборку генома Drosophila melanogaster dm6 и инструментарий геномного браузера UCSC. С помощью инструмента Blat мы провели поиск по координатам найденных фрагментов, а также по их положению в геноме относительно выравнивания с последовательностью гена CG12717, определили их границы, а также ориентацию, относительно кДНК гена CG12717. Было найдено около двухсот фрагментов, варьирующих по размеру от нескольких до 450 нт. Мы обнаружили, что все найденные ранее 23 участка (далее называемых повторами) состоят из слитых друг с другом, но различно ориентированных фрагментов, гомологичных гену CG12717. Базируясь на положении в выравнивании входящих в состав повторов фрагментов, мы выделили пять основных типов фрагментов, выравнивающихся на определенные участки последовательности CG12717 (рисунок 1Б). Анализируя плотность распределения совпадающих позиций в выравнивании CG12717 и повторов, мы обнаружили, что на кДНК гена выравнивается примерно одинаковое количество фрагментов повторов, приходящих как с плюс цепи, так и с минус цепи ДНК (рисунок 1А). При этом мы обнаружили, что на последовательность CG12717 выравниваются фрагменты, распределяющиеся равномерно практически по всей последовательности гена, кроме трех участков длиной 376, 254 и 37 нт., отсутствующих во всех повторах (рисунок 1А). Эти данные в совокупности указывают на то, что повторы petrel, эволюционно произошедшие благодаря дупликации исходного X-хромосомного гена, амплифицировались на Y-хромосоме, но утратили кодирующий потенциал.

1

Рисунок 1. Выравнивание повторов petrel на последовательность CG12717 (pirate). А распределение совпадающих нуклеотидных позиций множественного выравнивания 23 найденных повторов, выраженное как число совпадающих позиций к координате выравнивания относительно последовательности CG12717. Красным цветом обозначена плотность совпадающих позиций для фрагментов повторов, находящихся на плюс цепи в антисмысловой, по отношению к CG12717 ориентации, синим – в смысловой. Б пример мозаично-ориентированных фрагментов, выделенных цветом, в рамках повтора №16. Стрелки указывают на положение соответствующих фрагментов в выравнивании: перекрещивающиеся стрелки означает, что фрагмент выравнивается в антисмысловой ориентации.

Попарные выравнивания всех найденных повторов с помощью пакета Needle с последовательностью гена и между собой показали, что все найденные повторы более чем на 90% идентичны последовательности CG12717. Последовательности повторов оказались гомологичны по отношению друг к другу более чем на 80%. Результаты выравниваний представлены в виде тепловой карты на рисунке 2А. При этом, мы обнаружили, что 9-й, 10-й и 11-й повторы идентичны друг другу более чем на 99%. Также, очень высоким уровнем гомологии по отношению друг к другу обладают пары повторов 7-й и 12-й, 6-й и 13-й, 4-й и 14-й, 3-й и 15-й, 2-й и 16-й, образующие побочную диагональ в полученной нами матрице, что указывает на то, что часть повторов расположена симметрично и инвертирована по отношению друг другу. С помощью пакета GEPARD мы визуализировали участок Y-хромосомы, содержащий данные повторы (рисунок 2Б) и обнаружили, что они расположены в области протяженного палиндрома.

2

Рисунок 2. А Тепловая карта, полученная в результате попарных выравниваний повторов между собой, а также с последовательностью pirate. Поскольку часть повторов не имела общих участков при выравнивании их последовательностей на pirate, они исключались из анализа (отмечены символом “NA”). Б Визуализация dot-plot матрицы участка, содержащего повторы с разрешением 10 нт.

Ранее было показано присутствие крупного палиндромного участка на Y-хромосоме протяженностью 214 944 т.п.н. (с координатами chrY: 3058584-3273528 в геномной сборке dm6), сформированного около 0.33 миллионов лет назад [5]. Это указывает на то, что данный участок Y-хромосомы, содержащий повторы petrel, мог возникнуть в результате дупликации и последующей инверсии этого участка. Таким образом, часть повторов является зеркальным отражением других повторов с центром симметрии между 9-м и 10-м повторами. По нашей гипотезе, вследствие транспозиции в Y-хромосому межхромосомной дупликации из участка 11В Х-хромосомы, а также последующей внутрихромосомной амплификации фрагментов, содержащих эту дупликацию, небольших инверсий и делеций, встройки последовательностей мобильных элементов и попадания в палиндромный участок, многочисленные фрагменты, гомологичные к последовательности гена CG12717, возникли и эволюционно закрепились на Y-хромосоме D. melanogaster.

В данной работе мы провели анализ структурных особенностей крупного piРНК-кластера petrel, определяющего семенник-специфическое подавление экспрессии белок-кодирующего гена, с помощью piРНК. Повторы, формирующие данный кластер, потеряли кодирующий потенциал, благодаря внутренним инверсиям и утрате части последовательности, но впоследствии были амплифицированы и инвертированы относительно друг друга, благодаря формированию крупного палиндрома. Расположение повторов между последовательностями мобильных элементов, предположительно, может способствовать сквозной транскрипции повторов, инициируемой с промоторов транспозонов. Уникальная геномная структура Y-хромосомы, содержащей значительное количество мобильных элементов и амплифицированных геномных повторов, таким образом, может способствовать появлению и эволюционному закреплению в геноме piРНК-кластеров, направленных на подавление вредоносных элементов генома, включая белок-кодирующие гены.

Список литературы

  1. Berdnik D., Favaloro V., Luo L. The SUMO protease Verloren regulates dendrite and axon targeting in olfactory projection neurons // Journal of Neuroscience. 2012. №32. P. 8331-8340.
  2. piRNA-mediated gene regulation and adaptation to sex-specific transposon expression in melanogaster male germline / P. Chen, A. A. Kotov, B. K. Godneeva, S. S. Bazylev, L.V. Olenina, A. A. Aravin // Genes and Development. 2021. №35. P. 914-935.
  3. Drosophila as a Model System for Studying of the Evolution and Functional Specialization of the Y Chromosome / A. A. Kotov, S. S. Bazylev, V. E. Adashev, A. S. Shatskikh, L. V. Olenina // International Journal of Molecular Science. 2022. №23. P. 4184.
  4. piRNA silencing contributes to interspecies hybrid sterility and reproductive isolation in Drosophila melanogaster / A. A. Kotov, V. E. Adashev, B. K. Godneeva, M. Ninova, A. S. Shatskikh, S. S. Bazylev, A. A. Aravin, L. V. Olenina // Nucleic Acids Research. 2019. №47. P. 4255-4271.
  5. A large palindrome with interchromosomal gene duplications in the pericentromeric region of the melanogaster Y chromosome / M. Méndez-Lago, C. M. Bergman, B. de Pablos, A. Tracey, S. L. Whitehead, A. Villasante // Molecular Biology of Evolution. 2011. №28. P. 1967-1971.
  6. Emerging roles and functional mechanisms of PIWI-interacting RNAs / X. Wang, A. Ramat, M. Simonelig, M.F. Liu // Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2023. № 24. P. 123-141.

1 Работа выполнена при поддержке гранта МК-1205.2022.1.4 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук

Интересная статья? Поделись ей с другими: